конструирование печатных плат. Реферат конструирование печатных плат. Контрольная работа по дисциплине Конструирование измерительных приборов Тема Конструирование печатных плат (ПП). Критерий числа слоев и материала основания пп
 Скачать 371.9 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ» (КНИТУ-КАИ) Чистопольский филиал «Восток» Кафедра компьютерных и телекоммуникационных систем 12.03.01 Приборостроение Контрольная работа по дисциплине: «Конструирование измерительных приборов» Тема: Конструирование печатных плат (ПП). Критерий числа слоев и материала основания ПП Обучающийся ____21475_____ ____________ Селезнёв А.Е. (номер группы) (подпись, дата) (Ф.И.О.) Руководитель ст.пр.к.пр. Васильев М.С. (должность) (Ф.И.О.) Контрольная работа зачтена с оценкой ________________ ___________________ (подпись, дата) Чистополь 2023 г. Оглавление 1. Критерии выбора конструкции печатных плат 3 2. Обеспечение технологичности конструкции печатных плат 13 3. Безотказность и сохраняемость печатных узлов при климатических воздействиях 24 4. Безотказность ПУ при механических воздействиях 28 5. Исходные нормы топологического конструирования печатных плат 34 6. Снижение трудоёмкости топологических работ с использованием системы автоматизированного проектирования и темплетного моделирования 43 Список литературы 46 1. Критерии выбора конструкции печатных платИсходные понятия, терминология, четыре главных критерия выбора. Для рассмотрения вопросов, связанных с конструированием печатных плат, необходимо оценить место печатных плат в структуре РЭА и установить ряд понятий. Как известно, структура современной РЭА имеет две параллельные ветви: одна использует печатные платы, другая - интегральные платы. Интересующая нас в данный момент ветвь, основанная на печатных платах, состоит из цепи: печатные платы (ПП) - печатные узлы (УП) - электронные модули М1 - электронные модули М2 (блоки). В указанной цепи могут отсутствовать такие структурные единицы, как модуль и блок, когда печатный узел без конструктивной дополнительной аранжировки входит в составные части 3-го структурного уровня (пульт, моноблок и др.). Печатный узел является первой и самой сложной, многоэтапной сборочной единицей РЭА, объединяющей множество элементов электрической схемы функционального узла. Эти элементы должны быть не только электрически соединены между собой в сложных сочетаниях, но и механически закреплены, чтобы противостоять механическим воздействиям во время эксплуатации. Кроме того, что очень важно, конструкция этих соединений должна быть пригодна для применения групповых технологических операций при изготовлении. Печатный узел отвечает этим требованиям. Необходимо установить исходную терминологию. Выделим восемь основных терминов. Печатный узел (УП) - печатная плата со всеми электрически и механически подсоединёнными к ней навесными элементами и всеми выполненными операциями обработки (пайка, покрытия и т.д.). Печатная плата (ПП) - листовой материал, вырезанный по определённому размеру, содержащий необходимые отверстия и рисунок, обеспечивающие в дальнейшем электрическое и механическое соединение навесных элементов. Основные печатные платы - листовой материал, вырезанный по определённому размеру и подготовленный для того, чтобы нести на себе рисунок и навесные элементы. Заготовка ПП - листовой материал с поверхностью в состоянии поставки, подлежащий разрезке по размеру оснований ПП. Рисунок ПП - конфигурация проводникового или изоляционного слоя. Проводящий рисунок ПП - рисунок ПП, образованный проводниковым материалом. Печатный проводник - непрерывная проводящая полоска или площадка в проводящем рисунке. Контактная площадка - часть печатного проводника на поверхности, в отверстии или в толще основания, используемая для соединения навесных элементов или для контрольных подсоединений. Листовой материал основания и заготовки может быть в зависимости от поставленных перед конструктором задач изоляционным полимерным, фольгированным полимерным или металлическим. Модули первого уровня (М1) образуются путём сборки УП с базовой несущей конструкцией. Несущей конструкцией называют механическую сборочную единицу, предназначенную для размещения, закрепления и защиты от внешних воздействий функциональных узлов в заданных условиях эксплуатации. Несущую конструкцию, принятую за исходную при разработке модификаций конструктивных решений, называют базовой несущей конструкцией (БНК). Модулем, электронным модулем называют функционально и конструктивно завершенную часть конструкции РЭА, выполненную на БНК 1-го уровня, содержащую один или несколько печатных узлов, электрической многовыводный соединитель и кодовый ключ. Кодовый ключ представляет собой элемент конструкции, обеспечивающий однозначность установки сборочной единицы при сопряжении соединителя с ответной частью, размещенной на несущей конструкции следующего уровня. Функциональная завершённость означает способность реализовать без дополнительных средств заданное число радиотехнических или электронно-вычислительных функций. Конструктивная завершённость означает возможность механической фиксации и электрического подключения без помощи дополнительных средств. При конструировании печатных плат используются четыре главных критерия выбора: габаритный критерий, критерий плотности рисунка и толщины проводящего слоя, критерий числа слоёв, критерий материала основания. К вспомогательным критериям относятся электрические ограничения по паразитным параметрам, тепловые ограничения, ограничения по массе, по трудоёмкости изготовления, по безотказности, ремонтопригодности и др. Габаритный критерий. Выбор габаритов ПП (длина а и ширина б) связан с разбиением электрической схемы блока на функционально законченные части. Наиболее отчетлива, эта связь заметна в электрических схемах с регулярной структурой, что типично для цифровой техники. В таких схемах легко выделить многократно повторяющиеся части, мало отличающиеся друг от друга. При уточнении электрической схемы эти различия следует убрать, введя избыточность в те схемы, где дополнительные элементы отсутствуют. Если же дополнительные элементы могут помешать, то предусматриваются проволочные перемычки, которые могут быть легко устранены. В результате выявляются части электрической схемы блока, которые могут быть выполнены на ПП и использованы в данном блоке несколько раз. Следует оценить возможность унификации такой схемы и за пределами блока. Длина ПП обычно регламентирована с учётом размера электрического соединителя и составляет, а = 170 мм. Ширина б составляет 75 мм; 120 мм (только для морской и самолётной РЭА); 150 мм; 200 мм. Разрешённый к применению размер б 150 мм предпочтительно заменять двумя стандартными платами размером 75 мм. Предпочтительным является типоразмер ПП 170  75 мм. Этот наименьший типоразмер из рекомендуемого ряда выгодно сочетает в себе все преимущества ПП малых размеров с достаточно большой полезной площадью. Размерные преимущества малых ПП перед большими проявляются в ослаблении отрицательного влияния таких явлений, как коробление, ухудшенный теплообмен в центре платы, пониженная ремонтопригодность.Коробление ПП происходит вследствие слоистой структуры основания, содержащего диэлектрические и проводящие (металлические) слои, расширение которых при нагревании и сжатие при охлаждении различно. Чем больше длина платы, тем коробление значительнее, т.е. больше опасность обрыва проводников, замыкания, отрыва паяных контактов при температурных деформациях. Температурные деформации относятся к медленно действующим механическим деформациям. Динамические деформации в результате вибрационных и ударных перегрузок и линейных ускорений, передаваемых на ПП от объекта, на котором установлена РЭА, также уменьшаются с уменьшением размера ПП. Ухудшение теплоотвода из центра платы, протекающего по механизму теплопроводности, наблюдается с увеличением размеров ПП. Это вызвано увеличением пути теплостока к краю ПП, где осуществлён основной тепловой контакт с корпусом блока, который по отношению к массе ПП играет роль бесконечного радиатора. Заниженная ремонтопригодность платы большого размера связана с тем, что затрудняется поиск неисправности, а при агрегатном способе ремонта путём замены велика стоимость такого большого печатного узла. Вместе с тем надо учитывать, что при использовании нескольких малых ПП вместо одной большой неизбежно выявляются два отрицательных момента: требуются дополнительные переходные контакты или соединители разъёмного типа, что повышает трудоёмкость сборки и может снизить безотказность, и требуется больше крепёжной арматуры, что также повышает трудоёмкость и, кроме того, повышает массу. Поэтому в технически обоснованных случаях ряд рекомендованных типоразмеров ПП нарушается в сторону увеличения размеров сторон, в том числе и сторона а. Это допускается, когда модуль и блок вырождены и печатный узел поступает на сборку непосредственно в моноблок, пульт и т.д. Примером могут служить ПП для телевизоров, вещательных приёмников и других устройств, не подвергаемых большим тепловым ударам и механическим воздействиям. Критерии плотности рисунка и толщины проводящего слоя. Предыдущий габаритный критерий тесно связан с той плотностью, с какой может быть выполнен рисунок. По ГОСТ 23751-79 установлены три класса плотности рисунка (табл.3-1) Шириной печатного проводника (или, сокращённо, шириной проводника) t называют размер проводника на любом участке в плоскости основания (неровности края во внимание не принимаются). Расстоянием между проводниками s называют расстояние между краями соседних проводников на одном слое ПП. В свободных местах рисунка (не в узкостях) s  sмин; t 1,5 tмин. Таблица 1 - Геометрические параметры трёх классов плотности рисунка ПП
Разрешающей способностью рисунка R называют число полос (линий) равной ширины, укладывающееся на 1 мм при шаге укладки, равном двойной ширине полосы. В рисунке ПП за линию принимают проводник. Разрешающая способность рисунка ПП R = 1 / (tмин. + sмин.), где tмин. - минимальная ширина проводника, допускаемая в узкостях рисунка, мм; sмин. - минимальное расстояние между проводниками, допускаемое в узкостях рисунка, мм; tмин.= sмин. Выбранный конструктором класс плотности рисунка должен быть проверен по норме допустимых рабочих напряжений для проводников, лежащих в одной плоскости, а также по плотности тока (из расчёта предельной допустимой плотности тока в печатном проводнике 20 А/мм2) и по допустимым потерям на постоянном токе (табл. 3-2). Таблица 2 - Электрические параметры трёх классов плотности рисунка ПП
Плотность тока и потери зависят от толщины проводящего слоя, которая регламентирована тремя значениями: 10, 20 и 35 мкм. Если потери не существенны для работы электрической схемы (но не для сигнальных цепей, когда падение напряжения сигнала может уменьшить отношение сигнал-шум), то конструктор должен предпочитать толщину 10 мкм для повышения точности и для экономии меди. Плотность тока, если она окажется недостаточной из расчёта принятого выше значения 20 А/мм2, может быть увеличена на порядок при переходе на металлическое основание. Критерий числа слоёв. По числу слоёв различают односторонние (ОПП), двусторонние (ДПП) и многослойные (МПП) печатные платы. Односторонней называют ПП с проводящим рисунком на одной стороне основания, в отличие от двусторонней, где рисунок выполнен на обеих сторонах. Многослойной называют ПП, состоящую из чередующихся изоляционных слоёв с нанесённым на них проводящими рисунками, причём между рисунками выполнены необходимые межслойные соединения. Выбор конструктором числа слоёв означает выбор между ОПП, ДПП и МПП для конкретной, поставленной перед ним задачи. Возможности трассировки (прокладки соединительных печатных проводников) растут вдоль ряда ОПП - ДПП - МПП, но растёт и трудоёмкость изготовления и падает надёжность. При использовании в качестве навесных элементов ИС в корпусах с большим числом близко расположенных выводов (обычно с шагом 1,25 мм) контактные площадки на ПП настолько сближаются, что между ними нельзя проложить необходимого числа проводников в один слой. Для таких случаев используют МПП с числом слоёв до четырёх. В последнее время из-за значительных технологических недостатков МПП те же топологические задачи конструкторы предпочитают решать на основе ДПП, как более простых и надёжных, с прокладкой на поверхности ДПП вместо неуместившихся печатных проводников дополнительных прямых отрезков изолированного провода, натягиваемых между предусмотренными для этого контактными площадками. ДПП с дополнительным монтажом прямыми отрезками изолированного провода будем обозначать ДППдм. Таким способом топологические возможности ДПП доводятся до уровня МПП с четырьмя и более слоями. На долю дополнительного проводного монтажа приходится до 50% числа всех соединений в готовой ПП. Проволочные перемычки, напаиваемые на поверхность ПП дополнительно к печатным проводникам, являются обычным явлением для печатных узлов: из-за топологических трудностей трассировки разрешается до 5% числа всех необходимых соединений выполнять с помощью навесных перемычек, напаиваемых вручную. В ДППдм напайка перемычек осуществляется монтажным роботом, перфолента для управления которым составляется одновременно с разработкой рисунка ДППдм. Таким образом, современный ряд конструкции ПП, построенный по числу слоёв, имеет вид МПП ОПП ------ ДПП ------- ДППдм Выбор варианта в каждом конкретном случае производит конструктор с точки зрения технологичности конструкции. Коробление, о котором шла речь при рассмотрении габаритного критерия, при прочих равных условиях (габариты, толщина платы) в ДПП всегда значительно меньше, чем в ОПП, так как расположенные на основании с обеих сторон металлические слои до некоторой степени компенсируют друг друга. Материал основания. Выбор толщины и материала основания оказывает основное влияние на свойства ПП: жёсткость, собственную ёмкость, теплопроводность. Установлен размерный ряд значений толщины оснований ПП - как гибких, так и жёстких:  Гибкие Жёсткие Наибольшее распространение в отечественной практике нашла толщина 1,0 мм и 1,5 мм, которая допускает получение металлизированных отверстий в основании соответственно 0,32 мм и 0,48 мм (минимальный допустимый диаметр). Если толщину основания выбирают с точки зрения жёсткости печатного узла, то надо учитывать, что жёсткость пропорциональна толщине в кубе. Для оснований применяют изоляционные материалы типа стеклопластиков или листовой материал. Листовой материал (сплав алюминия или низкоуглеродистая сталь) начали применять относительно недавно. Интерес к замене традиционного стеклотекстолитового основания металлическим вызван, в первую очередь, стремлением повысить теплопроводность платы при повышенном тепловыделении навесных элементов.
По этой причине при стеклотекстолитовом основании значительная часть теплового потока, протекающего по печатному узлу, распространяется по металлу проводящего рисунка. Для того чтобы снизить тепловое сопротивление проводящего рисунка, специально меняют топологию рисунка так, чтобы он играл роль теплопроводных шин при условии, что тепловыделяющий элемент закреплён на проводнике с помощью теплопроводной мастики или припаян. Из-за малой толщины проводника (не более 50 мкм) иногда вводят дополнительные толстые (0,5 мм) теплоотводные медные шины, накладываемые на поверхность печатного узла. Более радикальным путём снижения теплового сопротивления является замена стеклотекстолита на алюминиевый сплав, что позволяет снизить сопротивление в три-четыре раза при прочих равных условиях и без навесных теплоотводных шин (рис. 3-4). Металлическое основание толщиной 0,8 мм представляет собой лист металла толщиной 0,5 мм с полимерной пленкой (например, полиимидной) толщиной 0,15 мм, накатанной с двух сторон листа (чтобы исключить коробление).  Рис. 1. Распределение теплового поля по ширине ПП от точечного источника в зависимости от материала основания. ________ стеклотекстолит; __. __. __ сталь; _ _ _ _ алюминиевый сплав; Экспериментальные исследования проводились при точечном (рис. 3-4) и лине источнике тепла. Точечным источником служил транзистор мощностью 2 Вт, нагреваемый для выделения этой мощности протекающим через него постоянным током, причем транзистор был установлен на контактную площадку с применением теплопроводной мастики (переходное тепловое сопротивление транзистор - площадка составляло 0,2 к/Вт). Измерения температуры поверхности корпуса транзистора при температуре окружающей среды 250С показали, что превышение температуры этой поверхности над комнатной температурой при алюминиевом основании в четыре раза меньше, а при стальном основании в три раза меньше, чем при основании из стеклотекстолита. Линейным источником нагрева служил печатный проводник шириной 1 мм, нагреваемый протекающим по нему постоянным током. Металлическое основание в среднем в четыре раза снижает перегрев, измеряемый на поверхности этого проводника, допуская 5-10-кратное превышение плотности тока в сравнении со стеклотекстолитовым основанием. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||